Wenn Menschen an Kernkraftwerke denken, denken sie oft zuerst an massive Bauwerke wie Sicherheitsbehälter, Reaktordruckbehälter und Dampferzeuger. Die wirklich kritischen Komponenten sind jedoch die unscheinbaren „kleinen Stäbchen“, die sich tief im Reaktorkern befinden.
Diese Gegenstände werden als Kernbrennstäbe bezeichnet. Jeder Stab ist nur etwa drei bis vier Meter lang-ungefähr so dick wie ein menschlicher Finger. Doch ein einziger dieser unscheinbaren Stäbe erzeugt genug Energie, um einen durchschnittlichen Haushalt jahrzehntelang mit Strom zu versorgen.
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Kernbrennstoff kann nicht direkt aus der Erde genutzt werden
Viele Menschen gehen davon aus, dass Kernbrennstoff genau wie Kohle-etwas ist, das aus der Erde gegraben und sofort verbrannt werden kann. Das ist absolut nicht der Fall.
Natürliches Uranerz enthält hauptsächlich zwei Isotope: Uran-238 und Uran-235. Das zur Kernspaltung fähige Isotop ist Uran-235; Allerdings macht es weniger als 1 % des natürlichen Urans aus. Der Rest besteht vollständig aus Uran-238, das nicht direkt als Brennstoff verwendet werden kann.
Es ist so, als würde man Sonnenblumenkerne essen: Man hat vielleicht eine ganze Tüte Samen, aber nur wenige enthalten essbare Kerne, während der Rest nur aus der Schale besteht.
Sobald Uranerz aus der Mine gefördert wird, muss es daher eine komplexe Reihe von Prozessen durchlaufen: Zerkleinern, Mahlen, Auslaugen, Extrahieren, Ausfällen, Anreichern und mehr.-All dies sind keine einfachen Aufgaben. Insbesondere die Anreicherungsstufe erfordert den Einsatz von Hochgeschwindigkeitszentrifugen, um Uran-235 von Uran-238 zu trennen – zwei Substanzen, die physikalisch nahezu identisch sind. Dabei handelt es sich um eine hochentwickelte Technologie, die nur eine Handvoll Nationen weltweit vollständig beherrschen.
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Brennstoff für Druckwasserreaktoren ähnelt „Energiestiften“
Derzeit nutzt die überwiegende Mehrheit der Kernkraftwerke weltweit Druckwasserreaktoren (PWRs). Der in diesen Reaktoren hauptsächlich verwendete Kernbrennstoff ist Urandioxid.
Urandioxid ist ein keramisches Material. Es wird zu kleinen zylindrischen Kügelchen gepresst-, die jeweils ungefähr die Größe einer medizinischen Pille haben, einen Durchmesser von etwa einem Zentimeter und eine Höhe von etwas mehr als einem Zentimeter haben. Diese kleinen Zylinder werden als Kernbrennstoffpellets bezeichnet.
Eine Methode und ein Verfahren zur Herstellung von Urandioxid
Diese Pellets werden dann in ein schlankes, längliches Metallrohr geladen. Dieses Rohr besteht nicht aus gewöhnlichem Metall, sondern aus einer Zirkoniumlegierung. Eine besonders bemerkenswerte Eigenschaft besitzt die Zirkoniumlegierung: Sie absorbiert nur sehr wenige Neutronen. Es ist wichtig, dass Neutronen mit minimaler Absorption durch das Röhrenmaterial gelangen, damit sie auf die Uran-235-Atome treffen und so die Kernspaltungsreaktion aufrechterhalten können. Wenn stattdessen ein anderes Material ({6}}eines mit einer starken Fähigkeit zur Neutronenabsorption) verwendet würde, wäre der Reaktor nicht funktionsfähig.
Die Wände dieser Rohre aus Zirkoniumlegierung sind nur wenige Zehntelmillimeter dick -dünner sogar als eine Standard-Bankkarte. Dennoch müssen sie den extremen Bedingungen im Reaktor standhalten: Temperaturen über 300 Grad, Drücke über 100 Atmosphären und den unerbittlichen Langzeitbeschuss mit Neutronen. Der Herstellungsprozess erfordert eine so außergewöhnliche Präzision, dass sich die Zahl der Unternehmen in China, die in der Lage sind, ihn auszuführen, an einer Hand abzählen lässt.
Ein einzelner Brennstab besteht aus Hunderten übereinander gestapelten Brennstoffpellets.
Der Ladevorgang ähnelt dem Auffädeln kandierter Früchte auf einen Spieß.
Zunächst werden Urandioxid-Pellets einzeln in die Rohre aus Zirkoniumlegierung eingelegt; Ein einzelnes Rohr bietet Platz für etwa 300 Pellets. Die Pellets dürfen nicht in direkten Kontakt miteinander gebracht werden; Zwischen ihnen muss ein kleiner Spalt gelassen werden, da sich die Pellets während der Kernreaktion ausdehnen. Anschließend werden die Rohrenden durch Schweißen mit Endstopfen hermetisch verschlossen und der Innenraum mit Heliumgas aufgefüllt. Helium verfügt über eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und erleichtert so die Übertragung der von den Pellets erzeugten Wärme vom Inneren des Rohrs an die Außenumgebung.
Auf diese Weise wird ein einzelner Brennstab fertiggestellt.
Allerdings benötigt ein Kernreaktor nicht nur ein oder zwei Brennstäbe-noch nicht einmal ein oder zweihundert. Nehmen wir als Beispiel einen typischen häuslichen Druckwasserreaktor (PWR) der Millionen-Kilowatt--Klasse. Der Reaktorkern muss zwischen 40.000 und 50.000 Brennstäbe beherbergen.
Es ist logistisch unmöglich, 40.000 bis 50.000 Stäbe einzeln einzulegen; Eine solche Methode wäre viel zu zeitaufwändig und würde eine ordnungsgemäße strukturelle Fixierung ausschließen. In der technischen Praxis werden diese Stäbe daher zu „Brennelementen“ zusammengebaut.
Eine Brennelementanordnung hat typischerweise die folgende Form: Ein Bündel von über 200 Brennstäben wird -mit oberen und unteren Endplatten sowie Abstandsgittern-zu einem ordentlichen, geradlinigen Bündel zusammengebunden. Besonders kritische Bauteile sind die Abstandsgitter; Sie verankern die über 200 Stäbe fest in ihren präzisen, vorgesehenen Positionen und halten dabei winzige Lücken zwischen den Stäben ein, um den ungehinderten Fluss des Kühlwassers zu gewährleisten.
Ein einzelner Reaktorkern beherbergt typischerweise mehr als 150 solcher Brennelemente.
Forschung und Simulationsanalyse des Reibverschleißes in Brennstoffbaugruppen
Fertigungspräzision auf Augenhöhe mit Luft- und Raumfahrtstandards
Viele Menschen gehen davon aus, dass die Herstellung von Kernbrennstoffen lediglich eine einfache Bearbeitung und Montage umfasst; In der Realität sind die Anforderungen an die Präzision jedoch enorm hoch.
Denken Sie zum Beispiel an die Abstandsgitter: Sie verfügen über Tausende von Federn und Vorsprüngen, deren Maßtoleranz jeweils auf die Größenordnung der Dicke eines menschlichen Haares beschränkt sein muss. Wäre es nur geringfügig anders gewesen, wären die Stützkräfte auf die Brennstäbe ungleichmäßig gewesen; Dies könnte im Laufe des Langzeitbetriebs zu Verformungen und Vibrationen führen.
Dann geht es darum, die Dichte der Brennstoffpellets zu kontrollieren. Urandioxid-Pellets müssen auf eine ausreichende Dichte-aber nicht *zu* dicht gepresst werden. Wenn die Dichte zu niedrig ist, leidet die Effizienz der Kernreaktion; Ist sie zu hoch, besteht zu wenig Raum für die Ausdehnung unter Einstrahlung, was zu Rissen in der Beplankung führen kann. Dieser „genau richtige“ Bereich ist extrem eng und erfordert hoch ausgereifte Herstellungsprozesse, um eine stabile Produktion zu gewährleisten.
**Die größte Produktionslinie unseres Landes für Druckwasserreaktor-Brennstoffbaugruppen: Wo die Leidenschaft dieser Ära fließt**
Aus der Perspektive der fortschrittlichen Fertigung ist die Herstellung von Kernbrennstoffen im Wesentlichen eine High-End-Integration mehrerer Disziplinen. Pulvermetallurgie, Präzisionsbearbeitung, Spezialschweißen, zerstörungsfreie Prüfung-jede einzelne Stufe stellt den Gipfel technologischer Exzellenz dar.
**Wohin gehen abgebrannte Brennelemente?**
Kernbrennstoff verbleibt typischerweise drei bis fünf Zyklen lang in einem Reaktor, wobei jeder Zyklus etwa achtzehn Monate dauert. Während dieser Zeit wird das Uran-235 nach und nach verbraucht, während gleichzeitig neue Nuklide – wie Plutonium-239 – entstehen. Sobald das Energiepotenzial weitgehend ausgeschöpft ist, handelt es sich bei diesem Brennstoff um den sogenannten „abgebrannten Brennstoff“.
Abgebrannter Brennstoff ist kein Abfall. Es enthält noch unverbranntes Uran-235 sowie neu erzeugtes Plutonium-239 – beides wertvolle Kernressourcen. Auf internationaler Ebene beteiligen sich einige Länder an der Wiederaufbereitung, um diese Materialien zurückzugewinnen und wiederzuverwenden. Unser Land verfolgt auch einen „geschlossenen Kreislauf“-Ansatz: die Gewinnung nützlicher Komponenten aus abgebrannten Brennelementen zur Herstellung neuer Brennelemente.
**Im Inland produzierte Transportbehälter für abgebrannte Brennelemente sollen ausländisches Monopol brechen: Prototyp besteht Abnahmetest und ist bereit für die Massenproduktion**
**Eine Frage, die es wert ist, darüber nachzudenken**
Während ich dies schreibe, kommt mir ein Gedanke: Der weltweite Bedarf an neuem Kernbrennstoff beläuft sich auf Zehntausende Tonnen pro Jahr; Doch wenn es um Kernkomponenten-wie hochpräzise-Rohre aus Zirkoniumlegierungen und hoch-leistungsfähige Abstandsgitter- geht, verfügen nur eine Handvoll Nationen über die Fähigkeit, diese herzustellen.
In den letzten Jahren haben sich unsere inländischen Kapazitäten rasch weiterentwickelt; Wir sind von der reinen Abhängigkeit von Importen zu einer Fähigkeit übergegangen, den Großteil dieser Komponenten selbst herzustellen. Dennoch müssen wir bestimmte Sorten von Zirkoniumlegierungen -sowie bestimmte Arten von Inspektionsgeräten- immer noch aus dem Ausland beschaffen.
Ich habe immer geglaubt, dass im Bereich der Herstellung von Kernbrennstoffen der entscheidende Faktor für den Erfolg die grundlegende Basis einer Nation in der Grundstoffindustrie ist. Ohne überlegene Pulvermetallurgietechniken kann die Qualität von Brennstoffpellets nicht gesteigert werden; Ohne hochpräzise Bearbeitungsmöglichkeiten können die Positionierungsgitter die erforderlichen Standards nicht erfüllen. Und ohne ein strenges Qualitätsmanagementsystem können die Komponenten nicht einmal für den Einbau in einen Kernreaktor freigegeben werden.
Letztendlich liegt die zentrale Wettbewerbsfähigkeit der fortschrittlichen Fertigung nicht nur in der Fähigkeit, eine bestimmte Komponente herzustellen, sondern vielmehr in der Fähigkeit, die gesamte Industriekette vollständig zu integrieren und ihren stabilen, zuverlässigen Betrieb sicherzustellen.
